关键词： IoT   Dialog   Wi-Fi SoC  

摘要： Dialog半导体公司推出FC9000,该产品是自Dialog收购Silicon Motion公司的移动通信产品线后推出的第一款Wi-Fi SoC,此项收购交易已于2019年5月31日完成。FC9000目标应用为智能门锁、视频监控系统、智能恒温器、无线传感器等电池供电的IoT设备,实现这些设备与

关键词： LoRa   LoRaWAN   NS-3   低功耗  

摘要： 随着智慧城市建设的发展,对物联网技术的要求越来越高,这对网络设备的功耗、通信距离都提出了更高的要求。远距离(Long Range,LoRa)技术应运而生,由于LoRa技术具有良好的应用前景,许多国家都竞相开展对其的研究。本文从LoRa的媒体介入控制(Media Access Control,MAC)层协议LoRaWAN出发,针对LoRaWAN协议定义的网络架构,对基于LoRaWAN的无线抄表系统进行研究与改进。具体研究内容分为以下几点:第一,建立了一系列涵盖LoRa网络各个方面的模型。包括链路度量模型和链路性能模型,其中链路度量模型包括路径损耗、建筑物穿透损耗和阴影损耗,链路性能模型包括接收机灵敏度、干扰模型和网关模型等;然后利用一种新的网络模拟器NS-3,在模拟器中建立LoRa系统的仿真模型,包括物理层、链路层、MAC层以及网关和网络服务器的模型,用于模拟典型城市场景中基于LoRa的物联网网络。最后,对仿真的LoRa系统的性能进行了评价和分析。仿真结果表明,LoRaWAN网络具有更高的吞吐量。此外,在一个具有大约15000个终端设备的网络中,抄表成功率达到了95%以上,证明LoRaWAN网络具有良好的性能。第二,为了降低抄表系统的功耗,从硬件和软件两个方面分别进行优化。首先设计选取低功耗器件,保证硬件层面的低功耗,然后对抄表系统的软件流程进行优化,以最大限度地延长终端节点的休眠时间,从而降低系统的整体功耗,延长系统使用寿命。测试结果显示终端节点的平均工作电流约为0.15mA,若采用20000mAh的电池,理想情况下设备可以运行近10年,能够达到应用需求。

关键词： CCD   CPLD   低功耗  

摘要： 光电式(CCD)是大坝安全监测工程中应用最为广泛的设备之一.本文针对CCD高速成像自身特点,提出了一种以MSP430为控制核心以CPLD快速采集CCD数据的测系统设计,实现了对垂直位移和倾斜的测量.主要用于水电站大坝、深基坑、高速公路、桥梁等的监测.对系统进行工程试运行,结果表明:系统稳定性好、功耗低、测量精度高,其综合误差小于0.25mm.

关键词： 低压低功耗   运算跨导放大器   CMOS   版图设计   芯片设计  

摘要： 地球物理仪器在矿产勘探中承载着地震数据采集、数据处理、数据解释等作用,地震数据的采集是最为关键和基础的一个环节。因此,担任地震数据采集的地震检波器其各方面性能指标成为了大家持续关注的问题。MEMS无线地震检波器因其分布式无线勘探、高精度数据采集以及体积小等特点,成为常用的地震检波器。但在野外实施地震勘探的时候,对于仪器最大的要求往往就是其稳定性和最大工作时长。所以,降低MEMS地震检波器的功耗、增加工作稳定性是问题的关键。在模拟集成电路中,放大器是基本的构成单元,在很多模拟集成电路系统中也起着至关重要的作用。由此可见,仪器的低功耗设计在很大程度上就是相应放大器的低压低功耗设计,放大器电压和功耗降下来就能够保证仪器在同等供电量的情况下维持更久的工作时间,给野外施工带来巨大的优势。因此,本文设计了三款应用于MEMS地震检波器中的低压低功耗的运算跨导放大器。本文的设计思路为:使用CMOS技术中的衬底驱动技术实现低压,同时使用亚阈值技术实现电路的低电流供电,从而达到运放的低功耗的目的。在使用衬底驱动技术以及亚阈值技术的同时,针对此类运放跨导不足、带宽不够的问题提出了一些创新的电路技术,包括:提出的低压低功耗I型运放采用辅助放大器和正反馈技术,实现了随着CMOS工艺降低衬底驱动电路跨导反而提升的作用,并且这种跨导的提升还是可调节的;设计的低压低功耗的跨导提升II型运放改变了传统衬底驱动电路的输入级,提出了一个新的输入级电路结构,提高了电路的有效跨导;设计的低压低功耗的跨导提升III型运放从新的角度出发,合理有效地利用了MOS管衬底的“背栅效应”,将输入信号同时耦合到输入MOS的栅极和衬底端,有效地提高了电路的跨导,并且这种电路结构十分稳定。通过Cadence仿真软件对设计的三类低压低功耗的运放进行仿真验证和版图设计,最终成功研制一款适用于MEMS地震检波器中低压低功耗的运放芯片,实测结果表明,设计的放大器性能符合要求。

关键词： 温室监控   ZigBee   低功耗   远程服务器   用户访问终端  

摘要： 温室作为设施农业的重要建筑形式,能够为作物提供适宜的生长环境,对反季节果蔬培育,保障我国北方地区冬季新鲜果蔬供应起着举足轻重的作用。近年来在国家政策支持和市场需求推动下,设施农业得到长足发展,2019年吉林省发布的农业规划中指出将规模化、高效节能连栋智能温室的建设列为重点工作。目前吉林省设施温室以日光温室为主,经营规模小、自动化程度低、严重依赖人工,缺乏稳定实用、低成本的温室监控系统,无法达到设施温室资源高效利用、作物高质高产、管理科学便捷的使用目的。针对以上问题,结合吉林省设施温室实际情况,本文应用物联网技术设计了一套低成本、低功耗、操作便捷的设施果蔬监测控制系统,系统由温室现场节点、远程云服务器和用户访问终端三部分组成。其中,温室现场节点包括在设施温室内部署的环境监测、设备控制和汇聚网关三种节点,环境监测节点实现温室内多种环境参数实时采集并上传,设备控制节点完成温室卷帘机、水泵等设备自动或远程控制,汇聚网关节点应用NB-IoT技术实现ZigBee监控网络和远程云服务器的数据传输,完成温室内环境数据上传及控制命令下发;远程云服务器实现数据存储、分析计算、智能控制功能;用户使用Web浏览器、手机APP访问终端与远程云服务器通信并完成设施温室实时监测、远程管理。为保证系统工作稳定高效,从系统监测功能、ZigBee网络质量、设备控制效果多个方面进行对比测试、软件仿真、实地实验,结果表明温室内系统长时工作状态下使用稳定可靠、响应快速,用户访问终端操作简单。基于Smith预估模糊控制的结果期温室西红柿的实地灌溉控制实验,验证了系统灌溉控制最大误差为7.5%,土壤水分平均值能够保持在70.5%左右,更符合西红柿生长发育环境的要求。系统针对现有日光温室可实现快速升级改造,提升其自动化水平,满足温室高效、科学管理使用要求,在实际温室生产中具有一定推广、应用价值。

关键词： 振荡环   物理不可克隆函数   唯一性   可靠性   老化   频率差  

摘要： 近几年,基于振荡环的物理不可克隆函数(Ring Oscillator PUF,RO PUF)被应用于密钥生成等安全领域,其由工艺偏差确定的内在物理特征使得其在相同的激励下产生不同的响应位,提高了系统的安全性。同时,基于振荡环的物理不可克隆函数,电路结构简单,熵值易于计算,容易在FPGA平台和ASIC平台上实现。但其功耗较大,可靠性易受环境因素(温度)和老化影响。本文分别从电路级别和架构级别出发提出了衬底电压和应力动态调整的ABRO和低功耗高频率差的RO PUF架构,能够在较低的功耗下有效地降低温度和老化对可靠性的影响。衬底电压和应力动态调整的ABRO主要是通过衬底偏置效应动态调整振荡环中反相器的阈值电压来抵消温度所引起的漏电流变化,同时应力动态调整单元通过使不工作的振荡环进入睡眠状态以及降低有效电源电压来降低老化对可靠性的影响。低功耗高频率差的RO PUF架构主要是通过电源电压控制模块,根据初始响应位将低频的振荡环电源电压降低,使得低频振荡环的频率曲线下移,增加了振荡环之间的频率差,以及使用邻近检测电路剔除频率差较小的激励响应对。从而降低频率曲线发生交叉的可能性,提高可靠性。本文基于SMIC 40nm的工艺,在Cadence Virtuoso环境下搭建基于本文方案的RO PUF、ARO PUF、BCO PUF、CS RO PUF和两种FTL RO PUF六种RO PUF电路并进行仿真。使用蒙特卡洛仿真模拟芯片间的工艺偏差收集响应位,使用Matlab处理后获得六种RO PUF的唯一性和温度可靠性。在仿真老化对可靠性的影响时,先使用Relxpert仿真器提取受老化影响后的网表,再对带有和未带有老化影响参数的网表进行蒙特卡洛仿真,最后使用Matlab程序计算老化可靠性。实验表明,集成衬底电压和应力动态调整的ABRO阵列以及低功耗高频率差的RO PUF架构的RO PUF达到99.8%的温度可靠性和99.37%的老化可靠性。最后本文在SMIC 40nm 1P7TM工艺下,对集成了全定制ABRO阵列和半定制测试电路的顶层设计进行物理实现,并进行后仿得到了每生成一个响应位所消耗的功耗为34.98μW,相对CMOS RO PUF降低了87.24%。

关键词： 动态电压调节   过冲和下冲   动稳态平滑过渡   Buck DC-DC   电源管理   低功耗  

摘要： 低功耗系统级芯片(System on Chip,SoC)对其电源管理芯片(Power Manager IC,PMIC)提出了快速动态电压调节(Dynamic Voltage Scaling,DVS)的需求。数字控制具有着灵活、基准调节简单、精度高等优势,正逐渐取代传统模拟控制成为此类电源芯片的研究热点。但是数字控制的DVS在调节速度和稳定性方面还未达到较好的平衡,且大多数需要额外进行电感电流采样,增加了成本。本文设计了一种适用于快速动态电压调节的数字控制Buck DC-DC电路。首先从环路分析、DVS上调和DVS下调方面介绍了所设计电路的基本原理。然后具体开展了如下工作:(1)使用状态空间平均法推导主拓扑传递函数,并介绍了比例积分微分(Proportion Integral Differential,PID)补偿算法的原理和物理意义;(2)设计了动稳态平滑过渡算法,使得系统能够快速而平稳地从动态切换到稳态;(3)设计了DVS上调算法,包括过渡阶段、预测阶段、逼近阶段和电感电流回调阶段,实现了快速的无过冲的动态电压上调;(4)设计了DVS下调算法,包括过渡阶段、过零检测阶段、预测阶段和电感电流回调阶段,实现了快速的无下冲的动态电压下调。最后,根据所设计的电路,搭建Matlab-Simulink仿真平台,进行算法级和RTL级仿真验证;并根据仿真验证结果和应用场景确定器件和电路参数,在基于FPGA的样机上,对本文所设计的控制电路进行了实测验证。实测结果表明,本文所设计的适用于快速动态电压调节的Buck DC-DC电路能够在12V或5V的输入电压条件下实现满载为10A的全负载范围内的稳压控制,其峰值效率达到91%;能够在动稳态切换过程中实现快速而平滑的过渡;并且能有效地提升电路的DVS性能:其DVS上调速度最快达40μs/V,FOM(速率/输出电容)约为0.0943s/(F·V),上调过冲电压基本为0V;其DVS下调速度在2A负载的条件下达到了260μs/V,FOM(速率/输出电容)约为0.61s/(F·V),下调下冲电压基本为0V。

关键词： 低功耗蓝牙   Nordic   智能机器人   STEAM  

摘要： Nordic Semiconductor宣布全球STEAM教育解决方案提供商童心制物选择使用Nordic的nRF52832低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy/Bluetooth LE)系统级芯片(SoC),为其童小点(mTiny)互连机器人和点控笔提供无线连接。童小点是一款无屏幕的逻辑思维启蒙机器人,使用点控笔、连接的机器人和互动地图来操作,设计用于帮助四岁及以上的孩童学习基本的编程思维,进行多感官沟

关键词： 表情识别   卷积神经网络   深度残差网络   LIF神经元模型   激活函数  

摘要： 深度卷积神经网络(CNN)是受到猫的视觉皮层细胞研究的启发,在感受野(Receptive Field)概念的基础上提出的,因而被广泛应用于计算机视觉任务,如面部表情识别等。基于深度CNN对“摆拍式”表情的识别已经取得了很高的准确率,但对现实场景下的自发式表情识别效果却并不理想,主要原因是现实场景下的表情图像因为光照条件、拍摄设备等原因往往带有噪声。另一方面,基于深度CNN的表情识别过程具有较高的功耗,限制了其在移动端或嵌入式设备上进行自发式表情识别的应用。为此,本文研究了生物神经元的输出响应特性,对能够对Leaky Integrate and Fire(LIF)神经元模型的输出响应特性进行刻画的Noisy Softplus(NSP)激活函数进行了改进,提出INSP(Improved Noisy Softplus),以之为基础实现了一种具有抗噪性的深度残差网络;同时对基于深度CNN训练与转换的深度脉冲神经网络(SNN)的构建进行了研究,提出并实现了一种应用INSP对VGG-19进行训练与转换的低功耗深度SNN。本文的主要研究内容如下:具有噪声鲁棒性的深度残差网络研究。首先,针对NSP函数在训练深度CNN时,与LIF神经元响应特性之间的误差逐层递增的问题,引入一个尺度因子S,逐层对发放率进行调整,得到INSP函数。然后,基于深度CNN构建深度残差网络,对网络结构进行调整以减少计算复杂度。最后,将INSP作为激活函数应用于深度残差网络中,解决其在残差结构内外的不同实现问题,得到具有噪声鲁棒性的深度残差网络。基于深度卷积神经网络(CNN)训练与转换的低功耗深度SNN构建研究。首先,对CNN转换成SNN存在精度损失的原因进行了分析并给出了通用的解决方案。然后,提出并实现了应用INSP对裁剪后的VGG-19进行训练,构建对应深度SNN的方法,并与现有的应用ReLU进行训练与权重调整相结合的方法进行了对比。最后对所构建的深度SNN和VGG-19的功耗进行了估计。对提出的算法在自发式表情数据库上进行实验验证。首先针对自发式表情样本量过少的缺点,对样本数据进行增强,防止过拟合;然后根据提出的改进算法在自发式表情等数据库上进行了对比实验,从识别性能和抗噪性能两个方面验证了本文方法的可行性和先进性。

关键词： 心电图机   检定仪   RPI   便携性   低功耗  

摘要： 心电图机、心电监护仪等均是用于监测心电信号的医疗设备,作为医生判断心脏疾病的重要依据,其准确性至关重要,必须通过严格的计量检定以保证其反映结果的准确性。而目前市场使用的针对该类设备的检定仪往往体积大,操作步骤繁琐,给检定人员的现场检定工作带来不便。针对以上现象,本文在深入分析了相关国家计量检定规程、各类心电监测医用设备特点以及检定人员现场操作流程的基础上,总结了检定仪的设计需求,以体积小、便于携带、低功耗、操作便捷为原则,提出了一种基于RPI处理器的心电图机检定仪的设计方案。检定仪可以产生幅值为mV级或μV级、频率为0.100Hz的方波信号、正弦波信号、心率(HR)信号、微分信号和ECG信号。首先,本文介绍了波形信号发生原理、DAC选型依据和衰减电路原理,提出了检定仪总体设计方案,并实现了系统便携性和低功耗性设计。然后,对检定仪的软硬件系统进行设计,采用RPI处理器作为主控处理器,利用Qt库和VS平台设计开发检定仪的操作界面,界面操作更便捷友好;选择波形函数和DAC的方式产生波形信号,建立各种波形的函数模型,通过软件实时计算信号输出波形数据二进制码,DA转换后产生波形信号;采用π型衰减网络,信号电压通过选择衰减电路后可衰减至mV级或μV级。最后,对检定仪进行功能测试,并从原理上对输出信号误差来源进行分析和计算,给出理论误差结果。